Como cargas elétricas se distribuem em um condutor?

Eletrostática é a área da Física que abrange o estudo das cargas elétricas em repouso. Os fenômenos eletrostáticos estudados por essa área do conhecimento surgem em decorrência da força de atração e repulsão que as cargas elétricas exercem umas sobre as outras. Neste texto, falaremos sobre algumas das principais propriedades da Eletrostática, tais como carga elétrica, eletrização, força elétrica, potencial elétrico, campo elétrico e energia potencial elétrica.

Tópicos deste artigo

• 1 - Carga elétrica
• 2 - Mapa Mental: Eletrostática
• 3 - Eletrização
• 4 - Força elétrica
• 5 - Campo elétrico
• 6 - Potencial elétrico
• 7 - Energia potencial elétrica
• 8 - Fórmulas de Eletrostática
  • → Fórmula da carga elétrica
  • → Fórmula de campo elétrico
  • → Fórmula de potencial elétrico
  • → Fórmula da força elétrica (lei de Coulomb)
  • → Fórmula de energia potencial elétrica
• 9 - Resumo
• 10 - Exercício de Eletrostática resolvido

Carga elétrica

A carga elétrica é uma propriedade intrínseca (própria) das partículas fundamentais da matéria, como prótons e elétrons, assim como a massa. Corpos eletricamente neutros apresentam a mesma quantidade de cargas elétricas positivas e negativas. A unidade de carga elétrica no Sistema Internacional de Unidades é o Coulomb (C).

Além disso, a carga elétrica é uma grandeza física quantizada, isto é, ela apresenta um valor mínimo, de forma que não é possível encontrar corpos eletrizados com um módulo de carga elétrica menor que esse valor, chamado de carga fundamental, geralmente denotado pela letra e.

Os prótons e elétrons apresentam exatamente esse valor de carga elétrica, cerca de 1,6.10-19 C. Portanto, quando um corpo está eletricamente carregado, sua carga é um múltiplo inteiro da carga fundamental, uma vez que a eletrização ocorre a partir da adição ou remoção de elétrons, visto que os prótons encontram-se ligados no interior dos núcleos atômicos.

Legenda:
Q – Módulo da carga elétrica (C – Coulombs)
n – Número de elétrons em falta ou em excesso
e – Carga fundamental (1,6.10-19 C)

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Mapa Mental: Eletrostática

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Eletrização

Eletrização é todo processo capaz de gerar uma diferença entre o número de cargas positivas e negativas de um corpo. Quando um corpo apresenta o mesmo número de cargas positivas e negativas, dizemos que ele está neutro; se esses números forem diferentes, dizemos que ele está eletrizado.

Existem basicamente três processos de eletrização: a eletrização por contato, por atrito e por indução:

• A eletrização por contato envolve dois corpos condutores, e pelo menos um deles deve estar eletricamente carregado. Quando os dois corpos entram em contato, as suas cargas elétricas dividem-se até que os dois estejam sob o mesmo potencial elétrico. Ao final do processo, os corpos apresentam o mesmo sinal de cargas.

• A eletrização por atrito envolve o fornecimento de energia para dois corpos por meio da fricção entre eles. Durante a fricção (atrito), alguns elétrons são arrancados de um dos corpos, sendo capturados em seguida pelo outro corpo. Para tanto, é necessário verificar a afinidade desses dois corpos nesse tipo de eletrização em uma consulta à série triboelétrica.

• A eletrização por indução ocorre pela aproximação relativa entre um corpo eletricamente carregado, chamado de indutor, e um corpo condutor, chamado de induzido. A presença do indutor gera uma separação de cargas no corpo induzido, chamada de polarização. A partir dessa separação, aterra-se o induzido no chão, fazendo com que suas cargas fluam através de um fio terra.

Todos os processos de eletrização ocorrem de acordo com os princípios de conservaçãoda cargaelétrica e da energia, ou seja, antes e depois da eletrização, o número de cargas e a quantidade de energia entre as cargas devem ser iguais.

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Força elétrica

Dois corpos eletricamente carregados podem exercer atração ou repulsão entre si de acordo com o seu sinal de carga. Corpos com cargas elétricas de sinais iguais repelem-se, e corpos cujas cargas elétricas possuem sinais contrários atraem-se.

A lei que nos permite calcular o módulo da força elétrica exercida entre duas cargas é a Lei de Coulomb, apresentada pela expressão a seguir:

Legenda:
F –Força elétrica (N - Newtons)
k0 – Constante eletrostática do vácuo (k0 = 9,0.109 N.m²/C²)
q1, q2 – Cargas elétricas 1 e 2 (C – Coulombs)
d – Distância entre as cargas 1 e 2 (m)

Campo elétrico

O campo elétrico é uma grandeza física vetorial atribuída a cargas elétricas. Toda carga elétrica influencia o espaço ao seu redor por causa do seu campo elétrico. Podemos entender o campo elétrico, portanto, como a influência que as cargas elétricas exercem em seus arredores. A unidade de campo elétrico no Sistema Internacional de Unidades é o Newton por Coulomb (N/C) ou o Volt por metro (V/m), já que as duas são unidades equivalentes.

Veja um exemplo:

Determinada posição do espaço apresenta um campo elétrico de 12,0 N/C gerado por uma carga elétrica. Quando uma carga elétrica de 1,0 C for colocada nessa posição, ela sofrerá a ação de uma força elétrica de módulo igual a 12,0 N. Se essa carga fosse de 2,0 C, ela sofreria uma força elétrica de 24,0 N.

O campo elétrico gerado por uma carga elétrica Q1 pode ser calculado por meio da expressão a seguir:

Na expressão acima, a variável d é a distância do ponto onde se deseja medir a intensidade do campo elétrico até a posição da carga elétrica.

Potencial elétrico

O potencial elétrico é uma grandeza física escalar representada totalmente por seu módulo e medida em Volts (V) no Sistema Internacional de Unidades. Essa grandeza mede a quantidade de energia fornecida por um campo elétrico para cada Coulomb de carga.

Quando uma partícula encontra-se em uma região do espaço submetida a um potencial elétrico de 100,0 V, ela terá armazenado consigo 100,0 J (Joules) de energia para cada 1,0 C de carga elétrica que apresentar. Se a sua carga for de 2,0 C, ela terá uma energia de 200,0 J, consequentemente.

O potencial elétrico gerado por uma carga elétrica de módulo Q1 pode ser calculado utilizando-se a expressão a seguir:

Energia potencial elétrica

Quando duas ou mais cargas elétricas são fixadas a uma distância d entre si, elas armazenam uma forma de energia chamada de energia potencial elétrica. Se uma dessas cargas for solta, essa energia será transformada em energia cinética, por exemplo. Essa energia é medida em Joules no Sistema Internacional de Unidades.

Podemos calcular a energia potencial elétrica entre cargas por meio da seguinte expressão:

Fórmulas de Eletrostática

Confira aqui as principais fórmulas utilizadas no estudo da Eletrostática.

→ Fórmula da carga elétrica

Essa fórmula é utilizada para calcular o valor da carga elétrica excedente ou em falta em um corpo. Também pode ser utilizada para calcular o número de elétrons em falta ou em excesso.

→ Fórmula de campo elétrico

É utilizada para determinar a intensidade de um campo elétrico produzido por uma carga elétrica pontual q1a uma distância d dessa carga:

→ Fórmula de potencial elétrico

O potencial elétrico de uma distribuição pontual de cargas pode ser calculado pela fórmula a seguir:

→ Fórmula da força elétrica (lei de Coulomb)

A fórmula que pode ser utilizada para calcular a força que uma carga elétrica q1 exerce sobre uma carga elétrica q2,separadas por uma distância d, é determinada pela lei de Coulomb:

→ Fórmula de energia potencial elétrica

Podemos calcular o módulo da energia potencial elétrica entre duas cargas q1 e q2, separadas por uma distância d, por meio da fórmula a seguir:

Resumo

• A Eletrostática é a área da Física que estuda os fenômenos produzidos por cargas elétricas em repouso;

• Toda carga elétrica influencia o espaço ao seu redor por meio de uma grandeza física vetorial chamada de campo elétrico;

• O campo elétrico é a medida da força elétrica exercida sobre cada unidade de carga;

• As linhas perpendiculares às linhas de campo elétrico definem o módulo do potencial elétrico produzido pelas cargas elétricas;

• A energia potencial elétrica entre duas cargas é uma grandeza escalar que é dada em Joules e mede a quantidade de energia associada à repulsão e à atração mútua entre cargas elétricas;

• O módulo da força elétrica entre duas cargas elétricas pode ser determinado a partir da lei de Coulomb.

Exercício de Eletrostática resolvido

Uma carga elétrica de 2,0 μC fixa e de tamanho desprezível gera, a uma distância de 0,5 m, um campo elétrico e potencial elétrico respectivamente iguais a:

Dados: k0 = 9.109 N.m²/C².

a) 72.10-3 N/C e 3,6.103 V

b) 12.104 N/C e 36.105 V

c) 72.103 N/C e 54.103 V

d) 72.102 N/C e 3,6.104 V

e) 7,2.103 N/C e 3,6.10-3 V

Gabarito: Letra B

Resolução:

Campo elétrico e potencial elétrico são propriedades inerentes a uma única carga elétrica no espaço. Para calcularmos o campo elétrico dessa carga, utilizamos a equação a seguir:

Tomando os dados fornecidos pelo enunciado do exercício, temos que:

Para calcularmos o potencial elétrico produzido por essa carga na mesma distância (0,5 m), utilizamos a equação a seguir:

Tomando os dados informados no enunciado, temos a seguinte resolução:

Por Rafael Helerbrock
Mestre em Física

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